第17章光的干涉.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光的电磁理论,光矢量：,1.,光强,可见光：,波长,频率,光强,光是一定波段的电磁波,第,17,章 光的干涉,1,1,2.,光谱曲线,图 谱线及其宽度,谱线宽度,3.,光波的描述,理想的单色光场波函数,单色光,准单色光,光谱曲线（谱线）,波长,强度,普通：,0.110,-3,nm,激光：,10,-9,nm,2,2,复振幅,:,复数表达式,1),单色平面波,:,2),单色发散球面波,:,光 强,:,3,3,一,.,光波叠加原理,遵从波的独立传播原理,多列波交叠区有,:,条件,:,介质是线性的,光波服从叠加原理,二,.,光的干涉,17.1,相干光,4,4,P,相干波,频率相同,振动方向相同,有恒定相位差,相位差,合振幅,光的强度或明暗在空间非均匀的稳定分布,-,光的干涉,5,5,加强,减弱,(k =0 1 2),相位差,:,加强,减弱,(k =0 1 2),光程差,:,设,光程差,6,6,三、相干光的获得,光源的最基本发光单元是分子、原子,1.,普通光源的发光特点,E,1,E,2,能级跃迁辐射,自发辐射,激光：受激辐射,非相干辐射,频率、相位、振动方向等相同,E,1,E,2,相干辐射,一个原子每一次发光只能发出一个波列；,2),原子的发光是断续的,3),各原子的各次发光是完全相互独立的,两个普通光源或同一普通光源的不同部分所发出的光是不相干的,波列,7,7,2.,相干光的获得,先分 后合,分波前法,分波面法,分振幅法,薄膜,1,不满足相干条件,满足相干条件,8,8,托马斯,.,扬（,Thomas.Yong,17731829,）。,幼年时就聪慧过人，尤其擅长语言，青年时会,10,种语言。后来他攻读医学，但对物理学也有很大的兴趣。在研究听觉和视觉问题时，他注意到光的微粒说和波动说的争论，尽管当时在学术界占统治地位的是微粒说，但是他注意到惠更斯的波动说的合理性，,1801,年他完成了著名的杨氏双缝实验，验证了光的波动性。,9,17.2,杨氏双缝干涉,1.,杨氏双缝实验,实验装置,分波阵面干涉,10,2.,杨氏干涉条纹,P,点光强,S,1,和,S,2,振动方向相同,相位相同,频率相同,11,光强极大极小交替出现,形成明暗相间、等亮度、等间距的条纹,.,明纹中心,:,暗纹中心,:,条纹间距,(,亮 亮或暗暗,),12,讨论,:,光强极大极小交替出现,形成明暗相间、等亮度、等间距的条纹,.,明纹中心,:,暗纹中心,:,条纹间距,(,亮 亮或暗暗,),13,一定时，若 变化，则 将怎样变化？,1,）,14,2,）,条纹间距 与 的关系如何？,一定时，,15,3.,菲涅耳双棱镜、双面镜和劳埃镜,图,菲涅耳双面镜,图,劳埃镜,图,菲涅耳双棱镜,暗纹,为什么？,半波损失！,16,例、杨氏双缝干涉实验中,单色光源的波长为,=550nm,图中,D,=3m,d,=,S,1,S,2,=3.3mm,求：,(1),条纹间距,;,(2),若将一厚度,l=,0.01mm,折射率为,n,的,玻璃片,放在缝,S,2,的后面,此时条纹如何移动,?,写出第,k,级条纹移动距离,x,的表达式,.,s,2,S,1,O,M,N,d,D,x,n,l,解,:,(1),条纹间距,17,移动距离为,:,“,”,表示向下移动,.,(2),条纹由,x,向下移动至,x,处,.,放,玻璃片,前,放,玻璃片,后,s,2,S,1,O,M,N,d,D,x,n,l,x,18,亮点,薄透镜，近轴光线：,透镜不产生附加光程差,一般在透镜前找光程差,f,S,S,1,S,2,0,P,x,d,亮,暗,亮,暗,条纹间距,19,光源宽度对干涉条纹影响,-,光场的空间相干性,*,17.2.3,光源宽度对干涉条纹的影响（光场的,空间相干性,）,20,带光源双缝干涉的强度分布曲线,21,设光源上边缘处线光源,L,产生的中央条纹,0,L,与下边缘处线光源,N,产生的第一级亮纹,1,N,重合。,空间相干性：具有一定宽度的普通光源发出的光波，要使其波面上的两点（,S,1,和,S,2,）,作为次波源能发生干涉现象，这两点之间的距离必须小于某一值。,22,相干间隔,d,0,：,干涉条纹刚好消失时，,S,1,和,S,2,之间的距离,最大张角,s,：,S,1,和,S,2,对光源,S,的中心所张的角,23,*,17.2.4,非单色性对干涉条纹的影响（光场的,时间相干性,）,1.,干涉条纹,可见度,(,衬度,),定义,:,24,2,非单色性对干涉条纹的影响,时间相干性,(1),准单色光,谱线宽度,(2),非单色性对干涉条纹的影响,合成光强,条纹完全消失,最大相干级次,最大光程差,相干长度,白光光源,-,(,/,2),+,(,/,2),0,1,2,3,4,5,6,0,1,2,3,4,5,25,(3),相干长度与相干时间,最,大光程差,相干时间,26,白光,与,同数量级,H,e,-N,e,激光,长,单色性好,相干时间,时间相干性：,光源在同一时刻发的光分为两束后又先后到达某一观察点，只有这先后到达的时差小于某一值时才能在观察点产生干涉。,27,解：设波长范围为：,则：,平均波长,对两个波长，第,k,级明纹位置分别为：,例、在杨氏双缝实验装置中，白光光源加滤光片后，波长范围为 ，平均波长,为,490nm,，问从第几级开始，条纹变得无法分辨。,28,所以，,k,级条纹所占的宽度为：,当此宽度大于或者等于相应于平均波长,的条纹间距时，干涉条纹将变得模糊，所以这个条件可以表示为：,即：,从第,5,级条纹起，干涉条纹将变得无法分辨。,29,分振幅干涉,定域干涉,1),点光源非定域干涉,扩展光源的定域干涉,薄膜干涉,17.3,等倾干涉,30,n,2,n,1,两相干光的光程差,亮纹,暗纹,由,1,、,薄膜干涉,分振幅法获得相干光,17.3.,等倾干涉,当,e,、,n,2,、,n,1,确定，,则 相同入射角的入射光线有相同光程差。,它们在透镜焦平面上构成同一级条纹，称,等倾干涉,。,31,薄膜,1,2,(1),干涉定域于无穷远,(2),半波损失,光疏介质,光线,1,有，光线,2,没有,光密介质,反射光有半波损失,光线,1,有，光线,2,有,光线,1,没有，光线,2,没有,光程差,入射,光线,1,没有，光线,2,有,透镜不产生附加光程差,32,e,f,(3),光程差取决于入射角,等倾干涉,倾角,i,相同的光线对应同一条干涉条纹,半反半透,i,L,S,f,屏幕,(4),条纹位置及分布,亮纹,暗纹,环中心的级次高,膜变厚，外冒，条纹更密集；,相邻条纹的光程差变化,外密内疏,膜变薄，内陷，条纹更稀疏,透镜,33,(5),面光源,e,f,入射角,i,相同的光线汇聚在同一级干涉条纹上,没有光源宽度增大与条纹衬比度下降的矛盾,使用扩展光源图像更清晰,(6),透射光的干涉,非相干叠加,与反射光的图样互补,薄膜,(7),白光入射,，则将出现彩色条纹,明纹,k,确,定,l,越大,i,越小,由红到紫的彩色条纹,暗纹,34,例：用波长为,500nm,的可见光照到一肥皂膜上，在与膜面成,60,o,角的方向上观察到膜最亮。已知膜的折射率为,1.33,，求此膜至少为多厚？若垂直观察，此膜能使波长为多少的,可见光,最亮？,解：,反射时，上表面有半波损失，下表面没有,最亮,最薄,垂直观测,35,1),增透膜,对某一特定波长,，反射干涉相消，透过相长。,2),高反膜,对某一特定波长使反射大大加强，透射率相应减少。,增透膜、多层膜,3),干涉滤光层,多层膜可使从白光中获得特定波长范围的光。,36,对,某一特定波长,，反射干涉相消，透过相长,例：在玻璃上镀一层,MgF,2,增透膜，使其对,=550nm,的绿光增透，求薄膜厚度。,由于,n,1,n,2,n,3,，,反射光光程差表达式中无,“,/2,“,。,反射相消条件,:,当,k,=0,e,=99.64 nm,k,=1,e,=298.92 nm,k,=2,e,=498.2 nm,由于光的时间相干性，,可取,k,=1,e,=299 nm,1,、增透膜,37,求：,e,=299 nm,厚度下，反射相长光的波长。,当,k,=1,=825.2nm,反射干涉相长条件,:,k,=2,=412.6nm,k,=3,=275.1nm,所以,e=299 nm,的,MgF,2,膜对上面的波长是高反射膜，其中,=412.6nm,的光在可见光范围，镀该种膜的照相机镜头看上去是蓝紫色。,2,、高反膜,对某一,特定波长,反射率大大加强，透射率相应减少。,38,17.4,等厚干涉,光程差,半波损失情况根据具体情况决定,通常，光垂直入射,光程差随膜的厚度变化,等厚干涉,明纹,暗纹,39,17.4.1,劈尖干涉,S,M,劈尖角,亮纹,暗纹,讨论：,2）,e,相,同的条纹在同一级上，,e=0,的棱边处，是暗纹，这是半波损失一例证。,1）,40,条纹间距,等间距,若用白光照射，结果如何？,明纹,暗纹,平移,条纹,条纹疏密情况不变,改变楔角,条纹,楔角变大,条纹变密,劈尖变化对条纹的影响,膜上某一级条纹对应的厚度的变化方向！,条纹间距的变化,相邻条纹的光程差相差一个波长,41,2,）测膜厚,1,）干涉膨胀仪,劈尖干涉的应用,42,测波长,测折射率,测细小直径、厚度、微小变化,被检体,标,准,角,规,被检体,标,准,角,规,测表面不平度,平整,待测工件,平晶,待测工件,a,b,b,a,h,e,k,-1,e,k,h,43,例：用,波长,500nm,的单色光,，,垂直照射,到空气劈尖上。距棱边,L,=1.56cm,的,A,处是从棱边算起的,第四条暗纹中心,，,求,：,空气劈尖的顶角。,若改用,600nm,的单色光垂直照射，从棱边到,A,处,共有几条明纹？几条暗纹？,解:,A,处是第三级明纹,从棱边到,A,处共有,3,条明纹，,3,条暗纹,44,17.4.2,牛顿环,1),干涉图样：内疏外密，中心为暗点的圆环。,2,）明纹、暗纹条件：,亮纹,暗纹,显微镜,S,L,M,半透半反镜,T,45,3,）明（暗）环的半径：,明环半径,暗环半径,R,e,46,4),暗环半径与,k,的平方根成正比,条纹外密内疏,等倾干涉条纹也是外密内疏,5),越接近环中心，条纹级次越低,等倾干涉,环中心条纹级次高,6),凸,透镜略微上移，膜厚度变大，条纹内陷,等倾干涉,膜厚度变大，条纹外冒,8),透射光条纹与反射光条纹互补，但衬,比度低,7),白光入射，同一级条纹，,l,越大，半径,越大,由紫到红的彩色条纹,与等倾干涉相反,明纹,47,如何在实验上区分上述条纹是等倾还是牛顿环,?,牛顿环,等倾条纹,48,4,）应用例子,:,可以用来测量光波波长，,用于检测透镜质量，曲率半径等,.,1,）从反射光中观测，中心点是暗点还是亮点？从透射光,中观测，中心点是暗点还是亮点？,2,）属于等厚干涉，条纹间距不等，为什么？,3,）将牛顿环置于,的液体中，条纹如何变？,明环半径,暗环半径,49,单色光源,17.5,迈克尔逊干涉仪,反射镜,反射镜,与,成,角,补偿板,分光板,移动导轨,50,反射镜,反射镜,单色光源,光程差,的像,平面镜,M,1,平移的距离为,51,当,不垂直于,时，可形成劈尖型等厚干涉条纹,.,反射镜,反射镜,单色光源,52,53,长的玻璃管，其中一个,抽成真空,，另一个则储有,压强为,的空气,用以测量空气的折射率,.,设所用,光波波长为,546nm,，,实验时，向真空玻璃管中逐渐充入空气 ，直至压强达到 为止,.,在此过程中，观察到,107.2,条干涉条纹的移动，试求空气的折射率,.,例,在迈克耳孙干涉仪的两臂中，分别插入,解,54,平面镜,M,1,平移的距离为,55,法布里,珀罗干涉仪,(F-P),56,例、白光垂直照射到空气中一个厚度为,380nm,的肥皂膜上，假设肥皂膜的折射率为,1.33,。试问这肥皂膜正面呈什么颜色？背面呈什么颜色？,解：在正面，相干光中一列光波在空气到肥皂膜的界面上进行反射，有半波损失，另一列光波在肥皂膜到空气的界面上反射，所以两列光波的光程差为：,根据干涉加强的条件，有：,当,k=1,时，,当,k=2,时，,所以,57,当,k=3,时，,当,k=4,时，,由此可见，在白光组成范围内，只有,2,3,两种波能干涉加强，因此肥皂膜的正面呈现紫红色。,在透射光中，两列相干波中都是在肥皂膜到空气的界面上反射，没有半波损失，所以光程差为：,干涉加强的条件满足：,所以,当,k=1,时，,当,k=2,时，,当,k=3,时，,所以，只有,2,能干涉加强，所以肥皂膜背面呈现蓝绿色。,58,解,:(1),充液体前后条纹间距分别为,:,液体体折射率为,(2),在距棱边为,L,=3.15m,处,充液体前,为,暗纹,.,充液体后,为,明纹,.,例、两块平板玻璃构成一空气劈尖,用单色平行光垂直照射,在反射光中观察到干涉条纹,其间距为,0.35cm.,若在此劈尖中充入某种液体,条纹间距变为,0.3cm.,求：,(1),这种液体的折射率,n,;,(2),距棱边,3.15cm,处,在充入液体前后条纹是明还是暗,?,59,